Пасты для толстопленочных элементов

В зависимости от назначения, пасты подразделяются на проводниковые, резистивные, диэлектрические для конденсаторов и диэлектрические для межслойной изоляции и поверхностной защиты.

Пасты, подлежащие вжиганию, содержат три основные составляющие: функциональную, конструкционную, технологическую.

Функциональная составляющая - это частицы неорганических веществ (металлов, окислов металлов, солей), которые придают пасте основные свойства будущих элементов (проводник, резистор, диэлектрик). В процессе вжигания слоя эти частицы должны оставаться в твердой фазе и равномерно распределяться по объему элемента.

Конструкционная составляющая (фритта) - обеспечивает равномерное распределение частиц функциональной составляющей и адгезию к подложке. В процессе вжигания не удаляется и остается в готовом элементе. Для конструкционной составляющей применяют фритту – особым образом изготовленные стеклянные порошки. Широко используют свинцово боросиликатные стекла (С 82-3, С-14, С-5, С-551) с температурой плавления (Т_пл ≤ 600^оС) ниже температуры вжигания. В процессе вжигания стеклянная фритта размягчается, смачивает частицы функциональной составляющей, образуя однородную суспензию. После охлаждения и отверждения образуется пленка, которая крепко сцеплена с подложкой.

Технологическая составляющая играет роль временной связки. Это органические растворители и соединения, которые смачивают твердые частицы, обеспечивают равномерно распределение этих частиц по объему в процессе приготовления паст, придают пасте необходимую вязкость для нанесения через сетчатый трафарет. После нанесения пасты на подложку органические растворители и соединения целиком устраняются в процессе термообработки.

В пасты вводят также специальные добавки для улучшения адгезии, пайки и др.

Проводниковые пасты. Для получения проводящих пленок (межсоединений, обкладок конденсаторов, контактных площадок) используют пасты, функциональная составляющая которых состоит из порошков (размеры частиц — единицы микрометров) материалов с хорошей проводимостью: серебро, палладий, реже золото. Соотношение содержания металлического порошка и стекла в пасте приблизительно 9:1. Проводниковые пасты типов ПП-1 — ПП-5 при толщине пленки 10...25 мкм имеют удельное поверхностное сопротивление не более 0,05 Ом/кв. Золотые пасты (ПЗП-1, ПЗП-2, ПЗП-3) используют при повышенных требованиях к надежности и стабильности параметров пленок. Для упрощения процесса пайки выводов контактные площадки дополнительно покрывают лудящими пастами. Лудящие пасты не вжигают.

С целью снижения стоимости микросхем стремятся использовать пасты на основе неблагородных металлов: алюминия, меди, никеля. Однако пленки на основе алюминия и никеля невозможно паять, а это затрудняет монтаж дискретных элементов и выводов. Пасты на основе меди легко поддаются окислению. Их надо выжигать в атмосфере нейтрального газа (аргона), что усложняет технологический процесс.

Резистивные пасты содержат в себе функциональную составляющую из частиц металлов и оксидов металлов. Широкое применение находят серебряно-палладиевые резистивные пасты типа ПР, которые состоят из палладия и оксида серебра.

Для прецизионных резисторов используют пасты на основе оксида рутения (Ru₂О₃) с добавками окислов разных материалов. Рутениевые пасти имеют высокую стоимость. Удельное поверхностное сопротивление пленок на основе этих паст изменяется от 5 Ом/кв до 1 Мом/кв.

Пасты имеют обозначение, состоящее из букв и цифр. Первые две буквы — ПР — паста резистивная, следующие цифры указывают величину r_S пленки, полученной на основе этой пасты. Например, ПР-20 — паста резистивная с r_S=20 Ом/кв; ПР-10к — паста резистивная, кОм/кв.

Диэлектрические пасты используют для диэлектриков конденсаторов (типа ПК — паста конденсаторная) и для межслойной изоляции (типа ПД — паста диэлектрическая).

В конденсаторных пастах функциональная составляющая состоит из порошков материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (например, сегнетоэлектриков — титаната бария BaTiО₃, диоксида титана TiО₂). Титанат бария позволяет получить удельную емкость С₀»8000 пФ/см² при толщине пленки около 25 мкм. Конденсаторы на основе титаната бария характеризуются большими диэлектрическими потерями на высоких частотах, поэтому их применяют только в качестве разделительных и блокировочных. Пленки на основе диоксида титана обеспечивают С₀»1000 пФ/см² и небольшие потери на частотах до 500 МГц.

Пасты для межслойной изоляции и защитных покрытий должны иметь небольшую удельную емкость не выше 200 пФ/см². Толщина изоляционных слоев достигает 70 мкм. Такие пасты изготовляют на основе стекол и ситаллоцементов. В ситаллоцементах при нагревании получается кристаллическая фаза (подобно ситалам), что предотвращает размягчение слоя при повторных нагревах.

3 Изготовление толстопленочных ГИС.

Упрощенная схема изготовления толстопленочной микросхемы изображена на рис. 9.17. Технологический процесс изготовления толстопленочной структуры включает три основные операции: - это нанесение паст (трафаретная печать), термообработка паст и обязательная подгонка элементов.

Рис. 1 - Упрощенная схема последовательности технологических операций изготовления толстопленочных гибридных микросхем

Пасты наносят на подложку через трафареты. Существует две разновидности трафаретов: сетчатые и фольговые. Сетчатые трафареты применяются для бесконтактного нанесения пленок (трафаретной печати), а фольговые — для контактного.

Трафарет для бесконтактной печати изготовляется из сетки, которая натянута на специальную металлическую рамку. Сетка состоит из стальных проволочек или капроновых нитей. Сетка покрывается фоторезистом или специальной светочувствительной бумагой. Рисунок соответствующего слоя микросхемы экспонируется на фоторезист или бумагу. После проявления в фоточувствительном материале получаются окна в тех местах, где через сетку должна продавливаться паста.

Рамка с трафаретом заполняется пастой и устанавливается над подложкой с некоторым зазором. На сетку опускается специальная лопатка — ракель. Лезвие ракеля изготовляют чаще всего из полиуретана и фторкаучука. Ракель перемещается и продавливает пасту через трафарет (рис. 2).

Рис. 2— Бесконтактная печать: а - схема бесконтактной печати; б — структура сетчатого трафарета

При контактном способе печати маска из фольги плотно прилегает к поверхности подложки (рис. 3). Окна в трафарете имеют сетчатую структуру. Контактная печать обеспечивает повышенную точность получения рисунка слоя.

Рис. 3— Контактная печать: а — схема контактной печати; б- структура фольгового трафарета

После трафаретной печати подложку в течении 5…20 минут выдерживают при комнатной температуре для «усадки» пасты. В процессе усадки устраняются неровности края пленок, выравнивается их толщина и исчезают следы сетки на поверхности. Термообработка состоит из сушки и вжигания. Сушат слой на протяжении 15...20 минут при температуре 80...125^оС в печах или под инфракрасными лампами для равномерного прогрева пленки. Во время сушки из пасты медленно удаляются органические растворители.

Вжигание паст осуществляют в конвейерных электропечах. Процесс вжигания проводится в три этапа.

Первый этап — выжигание из пасты органической связки ведут при медленном повышении температуры (около 20°С /мин.) до 300...400°С.

Второй этап — спекание паст. Температура поднимается от 350^оС до 700...1000^оС с большей скоростью (50-60^оС/мин.). Происходит размягчение и расплавление стеклянной связки и образование суспензии с частицами функциональных компонентов.

На третьем этапе происходит собственное спекание - при максимальной температуре начинаются физико-химические процессы взаимодействия стекла с поверхностным слоем подложки, которые обеспечивают адгезию пленки к подложке. Максимальную температуру выдерживают на протяжении 10...20 мин.

После завершения процесса вжигания подложки охлаждают. Снижение температуры осуществляется постепенно с определенной скоростью для предотвращения растрескивания стеклянной фазы.

Пример температурно-временного режима вжигания паст приведен на рис. 9.20.

Рис. 9.20— Температурно-временной режим вжигания толстых пленок

Технологические режимы сушки и вжигания паст существенным образом влияют на основные параметры толстопленочных элементов: проводимость и способность к лужению проводников; удельную емкость диэлектриков; удельное сопротивление и ТКС резисторов; на временную стабильность всех элементов.

Особое значение имеет порядок нанесения и вжигания пленок. Сначала наносятся и вжигаются проводники. Проводниковые пасты имеют наиболее высокие температуры вжигания (T_вж»800°С) и могут выдерживать многоразовые последующие термообработки. Затем наносятся диэлектрические пленки для конденсаторов и проводников (T_вж»700°С). Резистивные пасты наносятся и вжигаются в последнюю очередь (T_вж»650°С). Защитный диэлектрический слой наносится после резистивного и вжигается при пониженной температуре (T_вж»500°С).

Пассивные элементы имеют большой разброс электрических параметров (до 50%). Это объясняется низкой точностью воспроизведения геометрических размеров, невозможностью контролировать толщину пленок и физико-химическими процессами при вжигании. В большинстве случаев осуществляется индивидуальная подгонка резисторов и конденсаторов. Используется лазерная подгонка устранением части резистивной пленки. Точность изготовления резисторов в условиях массового производства составляет 2%. Сначала проводят грубую подгонку выжиганием пленки поперек резистора, а потом точную — вдоль резистора (рис. 9.8,а). В результате подгонки сопротивление резисторов увеличивается.

Выжигание резистивной пленки под углом позволяет объединить грубую и точную подгонку (рис. 9.8,б).

Вопрос и задача для самопроверки

1. Приведите схему технологического процесса изготовления толстопленочных микросхем.

2. Какие материалы применяются для подложек толстопленочных ИМС?

3. Из каких составляющих состоят пасты? Охарактеризуйте их назначение.

4. Охарактеризуйте состав паст для изготовления: проводников, резисторов, диэлектрических слоев.

5. Каким способом наносят пасты?

6. Охарактеризуйте технологический процесс термообработки толстых пленок.

7. Почему необходимо придерживаться определенной скорости повышения и понижение температуры в процессе термообработки паст?

8. Почему нужна подгонка толстопленочных резисторов? Какими способами она осуществляется?

Дата добавления: 2014-01-15